基于IR2161的低压卤素灯电子变压器

2007-10-12 15:45:55来源: 互联网

0 引言

卤素灯也称为卤钨灯。卤素灯灯丝为钨丝,灯管内除充有适量的氩气,还充人了溴或碘微量卤素,故因此而得其名。卤素灯与白炽灯一样,属于热辐射光源。卤素灯的光效、寿命和显色指数均优于普通白炽灯,故在展示厅、商业厨窗、摄影、摄像、剧院、城市亮化等照明场合,有着广泛的应用,其作用是其它光源不可替代的。在全球电子镇流器市场,低压照明电子变压器占有10%的份额。

低压卤素灯额定工作电压大多仅为12V。若采用220V的工频市电供电,需使用笨重的铁芯(降压)变压器。采用电子变压器替代老式铁芯变压器,具有尺寸小、重量轻、节材、节电等优点。

低压卤素灯电子变压器与荧光灯电子镇流器一样,都是将工频转换为几十kHz的高频。在电路结构上二者十分相似,大多都采用半桥逆变拓扑。但是,由于卤素灯是一种电阻性负载,故卤素灯电子变压器与荧光灯电子镇流器比较,存在一些不同点,具体表现在以下几个方面。

1)卤素灯电子变压器不需要预热和触发启动时序;
2)卤素灯电子变压器DD总线电压是全波整流的AC线路电压,无需大容量滤波电容器;
3)卤素灯电子变压器的线路功率因数接近1,并且无需采用功率因数校正(PFC);
4)输出是经隔离的高频低压,安全性好。

采用分立元器件设计和制作电子变压器,若使其具有保护功能和调光功能,需要增加很多元器件。基于IR公司生产的智能半桥驱动器芯片IR216l的电子变压器,无需可饱和磁环变压器,仅需用少量元器件,则可实现高性能和高可靠及调光功能。

l 基于IR2161的基本低压照明电子变压器电路

图1所示为基于IR216l的100W/12 V卤素灯电子变压器基本电路。

在接通工频市电电源后,桥式整流器通过Rs的电流除流入IC脚VCC上的启动电流外,其余的大部分电流对电容CVCC1充电。当IC脚VCC上的电压达到启动阈值(11.8 V)后,IC开始工作。一旦IC启动,由CSNUB、DCP1和DCP2组成的电荷泵电路为IC脚VCC馈送电流。自举二极管DB和电容CB为IC高侧驱动器电路供电。齐纳二极管DZ用作分流IC过剩电流,以防止IC损坏。

卤素灯灯丝电阻为带正温度系数,在室温下的“冷电阻”远小于灯工作时的“热电阻”。在灯启动时,会产生较大的浪涌电流,影响灯寿命。但IR2161提供软启动操作,可以避免浪涌电流产生。在灯启动期间,IR2161输出125 kHz的高频。由于系统中输出高频变压器T1初级漏感是固定的,在较高的频率下呈现较高的阻抗,初级绕组上的电压较低.致使变压器输出电压较低,灯电流较小,同时也避免了保护电路被触发。约经1 s的时间,电路以较低频率运行。在此过程中,IC脚3外部电容CSD上的电压从OV增加到5V。

当空载时,VCSD=OV,振荡器频率约60kHz。在最大负载下,VCSD=5V,振荡器频率约30kHz。当输出短路时,大电流流过半桥,被RCS感测。只要IC脚4(CS)上电压超过1V的门限电平持续50ms以上的时间,系统将关闭。如果负载超过最大负载的50%,IC脚4上的电压将超过O 5 V较低的门坎电压,在经0.5S之后,系统将关闭。不论是短路保护还是过载保护,都能自动复位。IR2161还提供过热关闭功能。当芯片结温超过135℃的过温度限制值时,半桥开关将停止工作,以避免MOSFET烧坏。

图2所示为计算RCS的输出级电路。在半桥中间点上的电压为DC总线电压的1/2。DC总线RMS电压与AC线路RMS电压相同,负载上的RMS电压为AC线路RMS电压的50%,通过RCS的电流为负载电流的一半。由于负载呈电阻性,电流波形为正弦包迹,半桥输出占空比为50%,在最大负载上RCS上的峰值电压VCS(PK)=O.4 V,通过RCS的RMS电流为



对于工作在VAC(RMS)=220 V交流线路电压下的PLOAD=100W的电子变压器,电流感测电阻RCS值为


关于输出变压器T1的选择程序如下。

1)在30 kHz和最大负载下,选择正确的磁芯尺寸,根据制造者提供的磁芯数据,确定最大容许功率。


2)计算初级绕组匝数。初级绕组最少匝数Np(min)可根据式(5)计算



式中:VPK为最高峰值总线电压,可取其为400 V;
Ton(amx)为最大导通时间,其值可选取18μs;

Bmax为最大磁通密度,单位为T,其值可从制造者提供的铁氧体材料工作在1 00℃时的曲线获得;
Ae为磁芯有效截面积,单位为m2。

3)计算次级需要的匝数。次级绕组匝数NS可按式(6)计算。

式中:VO(RMS)=12V,VAC(RMS)=220 V。

IR公司在参考设计中采用Vogt或Kaschke公司环形磁芯,初级绕组78匝,次级绕组8匝,初级与次级绕组之间利用压塑分离器隔离。

2 增强功能的电子变压器电路

2.l 带开路保护的卤素灯电子变压器电路

在空载条件下,IC脚VS上的高dv/dt将引起MOSFET发生硬开关,导致MOSFFT过热,直至其损坏。为此,可以设置如图3所示的开路保护电路。在开路情况下,ROC上的峰值电压足以使二极管Doc导通,并对电容CF充电。只要CF上的电压超过IC脚VS上的短路保护门限电平,短路保护电路则被触发,IR2161则关闭。为防止MOSFET过热,IC将进入50ms导通和1 s关断的自动重新启动模式。



2.2 利用频率调节输出电压的电子变压器电路

如果电子变压器输出电压过低,会使灯光变暗;若输出电压过高(超过12V额定值的20%),将缩短灯寿命。采用图4所示的电路提供了较好的解决方案。当输出电压过高时,在分压器电阻R6上的电压将超过IC3内部2.5V的参考值,光电耦合器IC2中光耦晶体管导通,将IC1脚VS上的电位拉低,致使工作频率升高。由于变压器T1初级漏感的作用,频率增加使输出电压降低。频率调节电路的加入,将使IR2161的短路关闭保护电路失效。为解决这个问题,加入了由VS1、G5、D7和R3组成的短路保护电路。在短路情况下,晶闸管VS1导通,将IR2161的VCC脚上的电压拉低到欠电压锁定门限电平(10.2V)以下,IC则关闭。

2.3 调光电子变压器电路

图5所示为调光电子变压器电路。其中,IC2为低成本开路集电极或漏极输出双比较器。由于IC2的加入需汲取电源电流,故IC1脚VCC外部电阻凤应由270 kΩ(3W)降低到56 kΩ。未经滤波的全桥整流输出电压通过R3和R4分压输入到IC2-1的同相端,IC2-1输出端电容CT上的电压为与AC线路电压半周期同步的锯齿波信号。该信号输入到IC2-2的同相端,IC2-2的另一个输入为电位器RP1分压的DC电压。IC2-2的输出为占空因数变化的矩形波。当IC2-2输出高电平时,通过D6将IC1脚VS上的电压上拉到短路保护电平以上,使IR2161关闭,变压器次级对灯不再施加电压。这种调光方案为后沿模式相位切断调光。通过调节RP1,可使卤素灯灯光从零到最大输出(即从O%到100%)变化,并且消除了灯闪烁。图6所示为DC总线电压和灯电压波形。

与荧光灯调光电子镇流器一样,卤素灯调光电子变压器同样可根据IEC929数字可寻址照明接口(DALI)总线通信协议,利用微控制器实现全数字调光,并且可利用同一个从属控制系统,控制多个电子变压器。

3 结语

基于智能控制器IR2161的低压照明电子变压器,仅需用较少量的元器件,则可以实现短路保护、过载保护、开路保护和过热保护及调光功能。

关键字:驱动  齐纳  高频  阻抗

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